CN109515251B - 一种混合动力用锂电池组均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力用锂电池组均衡控制方法。所述均衡控制的目标状态为，所有单体电池在充、放电时同时到达剩余容量(SOC)中间值Sm，SOC中间值Sm可根据应用需求来设置，一般在50％附近，所述均衡控制算法不需要获取每个单体电池的最大可用容量值，仅利用单体电池充放电过程中某一段区间的电压电流特性，分析电池组SOC到达Sm时单体电池SOC与Sm的偏差，以此作为判据，使电池组达到所述均衡目标状态。该均衡判据易获取，适用性强，电池组使用该控制方法可使电池组达到一种理想的均衡目标状态，该目标状态下电池组可用容量损失有效降低，并保证此状态长期稳定。

Description

一种混合动力用锂电池组均衡控制方法

技术领域

本发明设计一种混合动力用锂电池组均衡控制方法，具体涉及混合动力用多串联锂电池组一致性的控制方法，本控制方法可使电池组达到一种稳定的均衡状态，尽可能减小锂电池组可用容量损失。

背景技术

由于材料特性、制造工艺、使用工况、老化衰退的原因，锂电池串联成组后，随着使用次数的增加，单体电池的容量、剩余电量和内阻都出现了差异并逐步扩大，导致锂电池组性能衰退。业内提出了多种均衡方法，但没有针对混合动力锂电池特点实施相应的均衡方法，导致混合动力锂电池组一致性状态不符合使用需求。

混合动力用锂电池组的特点为，锂电池组剩余容量工作在50％附近，几乎不会工作在充电截止点或放电截止点。混合动力用锂电池组一致性不能依据充电截止点和放电截止点的数据来调整，并且剩余容量在50％附近时电池端电压变化微弱，不能以端电压来判断电池一致性，因此混合动力锂电池组缺乏一致性判定标准和有效的调整方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种混合动力用锂电池组均衡控制方法，所述均衡控制的目标状态为，所有单体电池在充、放电时同时到达剩余容量(SOC)中间值Sm，SOC中间值Sm可根据应用需求来设置，一般在50％附近，所述均衡控制算法不需要获取每个单体电池的最大可用容量值，仅利用单体电池充放电过程中某一段区间的电压电流特性，分析电池组SOC到达Sm时单体电池SOC与Sm的偏差，以此作为判据，使电池组达到所述均衡目标状态。

所述的均衡控制方法为，根据单体电池充电末端附近电压急剧变化区间的端电压数据，计算充电时各单体电池SOC与电池组SOC的差值，根据单体电池放电末端附近电压急剧变化区间的端电压数据，计算放电时各单体电池SOC与电池组SOC的差值，然后综合上述两个差值，计算得到单体电池SOC在电池组SOC到达中间值Sm时与Sm的差值Se，利用所述差值Se计算均衡电量Qo，根据所述均衡电量对各单体电池进行均衡，如此循环执行，所述的控制方法为一个闭环控制的算法，因此对所述均衡电量Qo的准确性要求不高，允许存在一定误差，但要求Qo要小于均衡电量真实理论值，保证闭环控制系统的稳定性。

所述的均衡控制方法需要利用所用型号电池的制定数据，数据可实测获得，可由生产厂家提供，也可由均衡控制器在线辨识，数据包括：

数据(a)，电池组的最大可用容量C0，该数据可不更新；

数据(b)，测试获取，该型号的单体电池在充电过程中，选定端电压随SOC变化急剧区域AC，此区域SOC均值为Sac，该型号单体电池的开路电压值UOac，以恒流Ih充电时，在SOC为Sac处该型号单体电池的端电压为Uhc，在该区域中，端电压Uhc的变化值与SOC的变化值的固定比例值Rhc，数据(b)可不更新；

数据(c)，测试获取，该型号的单体电池在放电过程中，选定端电压随SOC变化急剧区域AD，此区域SOC均值为Sad，该型号单体电池的开路电压值UOad，以恒流Ih放电时，在SOC为Sad处该型号单体电池的端电压为Uhd，在该区域中，端电压Uhd的变化值与SOC的变化值的固定比例值Rhd，数据(c)可不更新。

以串联电池组中的一个单体电池为例，实现单个电池的均衡控制的步骤为：

步骤(1)，在电池使用过程中，记录最近ts时间内平均电流Ivs、单体电池的平均端电压Uvn，以及所有单体电池平均端电压的平均值Uvs，

经过大量实验研究证明，在一段时间内，平均电流和平均电压关系大致等同于恒流充电、放电时电流和电压的关系，因此，等效认为以Ivs恒流充电或者放电时，单体电池的电压为Uvn，电池组中所有的单体电池电压的平均电压为Uvs；

步骤(2)，判断电池组是否符合AC区域特征或者AD区域特征，将所有的单体电池电压的平均电压Uvs等效为在以恒流Ih充电或放电的条件下的所有的单体电池电压的平均等效电压为Uvhs，所述是否符合的判断方法为，

判断方法(a)，AC区域特征判断方法为，Uvhs大于Uhc，并且Uvhs与Uhc差值在一定范围内，则认为电池组符合AC区域特征，

判断方法(b)，AD区域特征判断方法为，Uvhs小于Uhd，并且Uvhs与Uhc差值在一定范围内，则认为电池组符合AD区域特征，

在大量实验研究中发现，在恒流充电、恒流放电下，在某一特定SOC值处，单体电池端电压与开路电压之差(U-OCV)与I成大致固定的比例，因此在SOC值为Sac时的端电压Uvhs与开路电压UOac之差与恒流充电电流Ih的比值(Uvhs-UOac)/Ih，与以Ivs恒流充电时的端电压Uvs与开路电压之差与Ivs的比值(Uvs-UOac)/Ivs相等，即等效为Ih恒流充电的端电压Uvhs＝(Uvs-UOac)*Ih/Ivs+UOac，同理，在SOC值为Sad时，Ivs恒流放电等效为Ih恒流放电的端电压关系为：Uvhs＝(Uvs-UOad)*Ih/Ivs+UOad；

步骤(3)，当符合步骤(2)所述区域特征时，分别计算在所述区域时单体电池SOC与电池组SOC的差值，

在Ivs恒流充电时，单体电压Uvn等效为以Ih充电下的等效电压Uvhn，Uvhn＝(Uvn-UOac)*Ih/Ivs+UOac，则等效为恒流充电Ih下Uvhn和Uvhs之差Uvhn-Uvhs

＝(Uvn-UOac)*Ih/Ivs+UOac–((Uvs-UOac)*Ih/Ivs+UOac)

＝(Uvn-Uvs)*Ih/Ivs，

同理，在Ivs恒流放电时，Uvhn Uvhs之差Uvhn-Uvhs＝

＝(Uvn-UOad)*Ih/Ivs+UOad–((Uvs-UOad)*Ih/Ivs+UOad)

＝(Uvn-Uvs)*Ih/Ivs，充电和放电Uvhn-Uvhs的计算公式相同，

将恒流Ih充电或放电端电压曲线在某SOC附近进行线性等效，则端电压变化值与SOC变化值成比例关系，以Ih恒流充电下，当SOC为Sac时，该比值为Rhc，以Ih恒流放电下，当SOC为Sad时，该比值为Rhd，因此，由充电或放电下电压变化值比SOC变化值等于Rhc或Rhd得到，单体电池SOC与电池组SOC的差值为：

单体电池在AC区域恒流充电时与电池组平均SOC偏差值Secn

＝(Uvhn-Uvhs)/Rhc

＝(Uvn-Uvs)*Ih/(Ivs*Rhc)，

单体电池在AD区域恒流放电时与电池组平均SOC偏差值Sedn

＝(Uvhn-Uvhs)/Rhd

＝(Uvn-Uvs)*Ih/(Ivs*Rhd)；

步骤(4)，在同时获取偏差值Secn和偏差值Sedn后，根据串联电池组中电流相等得知所有单体电池的电量的变化值也相等，得到单体最大可用容量的估算值Cn与SOC变化值的乘积与电池组最大可用容量C0与平均SOC值的变化值乘积相等，则Cn

＝(Sac-Sad)*C0/((Secn+Sac)-(Sedn+Sad))，

然后计算单体偏离电池组中间值Sm所需均衡电量Qn

＝(Secn+Sac-Sm)*Cn-(Sac-Sm)*C0；

步骤(5)，根据均衡电量Qn对该单体电池进行能量均衡。

为保证均衡电量Qn不大于理论的真实均衡电量，执行均衡电量Qon＝Qn*h，系数h小于1大于0，具体值根据工程调试确定，当Qon大于充电均衡阈值Qc并且小于放电均衡阈值-Qd，则执行均衡，均衡电量为Qon，均衡可选择在充电和放电的任意阶段执行。

所述的步骤(4)中，如果(Sac+Sad)/2＝Sm，其中Sac和Sad根据Sm和电池特性来综合选定，通过将单体最大可用容量的近似等于电池组平均最大容量后，则计算可简化为Qon

＝(Secn-Sedn)*C0*h/2，

因此，在选取AC和AD区域时，使(Sac+Sad)/2＝Sm可简化计算，提高均衡精度。

同单个电池的均衡控制步骤，将所有单体电池的均衡控制步骤并行执行，即可实现电池组的均衡控制。

本发明所述的一种混合动力用锂电池组均衡控制方法具有以下优点：

(1)适应混合动力锂电池组的应用需求，有效降低电池组可用容量损失，保证电池一致性稳定，在达到稳定目标状态后，除最小容量电池外，其他单体电池都能够保证离充电截止点和放电截止点裕量都尽量大，目标状态稳定裕量大；

(2)不需对所有单体的最大可用容量和SOC进行实时检测，直接通过端电压来计算，避免了引入中间变量的误差；

(3)算法可忽略接触电阻对单体电池电压采样的影响，由于采用差值进行计算，因接触电阻导致的误差电压将在计算中抵消掉；

(4)计算量小，易工程实现。

附图说明

图1是本发明中的锂电池组均衡控制的非均衡状态和均衡目标状态示意图；

图2是本发明中的锂电池组均衡控制的流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明方法所述锂电池组均衡控制的非均衡状态和均衡目标状态示意图。

如图所示，假设锂电池组由6个单体电池串联组成，6个单体电池分别以6个长方形代表，长方形的长度代表了电池的容量，6个电池容量有大有小，6个单体电池串联，因此电流相同，电量的变化相同，因此用蓝色虚线表示电池组的电量变化。

从非均衡状态(左图)可以看出，6个单体电池的容量和SOC都存在一定差异，在电池组充电时，电池组剩余电量(蓝色虚线)上移，当到达5号电池的电量充满点，充电必须停止，因此此处为充电电量的截止线，在电池组放电时，电池组剩余电量(蓝色虚线)下移，当到达4号电池的电量放完点，放电必须停止，因此此处为放电电量的截止线。在非均衡状态下，电池组的容量有一定损失，容量的损失是由容量的差异和SOC的差异共同决定的，如果不进行均衡，容量的损失将随着容量差异和SOC差异的扩大而恶化。

从本发明所述的均衡控制所要达到目标状态(右图)可以看出，通过均衡装置对单体电池进行单独充电和放电调整，使电池组充电电量截止线与最小容量单体电池4号电池电量充满点一致，电池组放电电量截止线与最小容量单体电池4号电池电量放完点一致。具体的控制方法为，使所有单体电池在充电或者放电时，SOC共同到达某一中间值。

从均衡目标状态和非均衡状态对比可以看出，达到均衡目标状态的电池组可用容量明显提升，并且，除4号电池外的另外5个单体电池在使用中电量充满点和电量放完点将最大程度的避开电池组的充电截止点和放电截止点，这为电池组的容量稳定留有了一定的保证裕量。

图2时本发明方法所述均衡控制的流程图。在执行流程之前，首先应获取如下数据：

数据(a)，电池组的最大可用容量C0，该数据可不更新；

数据(b)，测试获取，该型号的单体电池在充电过程中，选定端电压随SOC变化急剧区域AC，此区域SOC均值为Sac，该型号单体电池的开路电压值UOac，以恒流Ih充电时，在SOC为Sac处该型号单体电池的端电压为Uhc，在该区域中，端电压Uhc的变化值与SOC的变化值的固定比例值Rhc，数据(b)可不更新；

数据(c)，测试获取，该型号的单体电池在放电过程中，选定端电压随SOC变化急剧区域AD，此区域SOC均值为Sad，该型号单体电池的开路电压值UOad，以恒流Ih放电时，在SOC为Sad处该型号单体电池的端电压为Uhd，在该区域中，端电压Uhd的变化值与SOC的变化值的固定比例值Rhd，数据(c)可不更新。

数据(d)，在选取AC和AD区域时，使(Sac+Sad)/2＝Sm。

在基于上述数据的基础上，均衡控制的程序分为两个部分，一部分为均衡计算，另一部分为均衡执行。

均衡的计算在定时每ts时间执行一次，步骤为：

(a1)采样和计算

首先计算ts时间内所有单体电压和电流的采样值的平均值，假设由k个单体电池，k为大于2的正整数，单体电池平均电压值为{Uv1，Uv2，…，Uvk}，平均电流为Ivs，单体电池平均电压的均值Uvs＝(Uv1+Uv2+…+Uvk)/k；

(a2)判断

充电时，判断(Uvs-UOac)*Ih/Ivs+UOac是否大于Uhc，并且与Uhc差值在一定范围内，则认为电池组符合AC区域特征，

放电时，判断(Uvs-UOad)*Ih/Ivs+UOad是否小于Uhd，并且与Uhd差值在一定范围内，则认为电池组符合AD区域特征；

如果符合，则执行下一步(a3)，如果不符合，则不作处理，继续执行(a1)采样和计算；

(a3)计算SOC偏差值

第n个单体电池充电时与电池组平均SOC偏差值Secn

＝(Uvn-Uvs)*Ih/(Ivs*Rhc)，

第n个单体电池放电时与电池组平均SOC偏差值Sedn

＝(Uvn-Uvs)*Ih/(Ivs*Rhd)，

根据上述公式，可得到所有单体电池相对与电池组平均SOC的充电偏差和放电偏差数组分别为

{Sec1,Sec2,…,Seck}，

{Sed1,Sed2,…,Sedk}；

均衡执行定时执行，步骤为：

(b1)判断是否获取全新的一组充电和放电SOC偏差数组，如果是，则计算每个电池所需均衡电量，并执行均衡，如果不是，则不作处理；

(b2)计算均衡电量，执行均衡

根据第n个单体电池均衡电量的计算公式Qon＝

(Secn-Sedn)*C0*h/2，其中0<h<1，根据工程情况调整数值，

计算得到所有单体电池所需均衡电量

{Qo1,Qo2,…,Qok}，

根据-Qd<Qon<Qc判断所有单体电池是否需要均衡，如果Qon符合则第n个单体电池不需要均衡，否则使用均衡电路执行均衡电量，电量为正则放电，为负则充电，其中Qd和Qc的值根据工程测试情况调整。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种混合动力用锂电池组均衡控制方法，所述的均衡控制方法包括以下步骤:

记录所用型号电池的选定数据，所述数据包括：

数据(a)，电池组的最大可用容量C0；

数据(b)，测试获取，该型号的单体电池在充电过程中，选定端电压随SOC变化急剧区域AC，此区域SOC均值为Sac，该型号单体电池的开路电压值UOac，以恒流Ih充电时，在SOC为Sac处该型号单体电池的端电压为Uhc，在该区域中，端电压Uhc的变化值与SOC的变化值的固定比例值Rhc；

数据(c)，测试获取，该型号的单体电池在放电过程中，选定端电压随SOC变化急剧区域AD，此区域SOC均值为Sad，该型号单体电池的开路电压值UOad，以恒流Ih放电时，在SOC为Sad处该型号单体电池的端电压为Uhd，在该区域中，端电压Uhd的变化值与SOC的变化值的固定比例值Rhd；

所述方法进一步包括以下步骤：

步骤(1)，在电池使用过程中，记录最近ts时间内平均电流Ivs、单体电池的平均端电压Uvn，以及所有单体电池平均端电压的平均值Uvs，

等效认为以Ivs恒流充电或者放电时，单体电池的电压为Uvn，电池组中所有的单体电池电压的平均电压为Uvs；

步骤(2)，判断电池组是否符合AC区域特征或者AD区域特征，将所有的单体电池电压的平均电压Uvs等效为在以恒流Ih充电或放电的条件下的所有的单体电池电压的平均等效电压为Uvhs，所述是否符合的判断方法为，

判断方法(a)，AC区域特征判断方法为，Uvhs大于Uhc，并且Uvhs与Uhc差值在一定范围内，则认为电池组符合AC区域特征，

判断方法(b)，AD区域特征判断方法为，Uvhs小于Uhd，并且Uvhs与Uhc差值在一定范围内，则认为电池组符合AD区域特征，

在恒流充电、恒流放电下，在某一特定SOC值处，单体电池端电压与开路电压之差(U-OCV)与I成大致固定的比例，因此在SOC值为Sac时的端电压Uvhs与开路电压UOac之差与恒流充电电流Ih的比值(Uvhs-UOac)/Ih，与以Ivs恒流充电时的端电压Uvs与开路电压之差与Ivs的比值(Uvs-UOac)/Ivs相等，即等效为Ih恒流充电的端电压Uvhs＝(Uvs-UOac)*Ih/Ivs+UOac，同理，在SOC值为Sad时，Ivs恒流放电等效为Ih恒流放电的端电压关系为：Uvhs＝(Uvs-UOad)*Ih/Ivs+UOad；

步骤(3)，当电池在使用中的特性符合步骤(2)所述区域特征时，分别计算在所述区域时单体电池SOC与电池组SOC的差值，

在Ivs恒流充电时，单体电压Uvn等效为以Ih充电下的等效电压Uvhn，Uvhn＝(Uvn-UOac)*Ih/Ivs+UOac，则等效为恒流充电Ih下Uvhn和Uvhs之差Uvhn-Uvhs

＝(Uvn-UOac)*Ih/Ivs+UOac–((Uvs-UOac)*Ih/Ivs+UOac)

＝(Uvn-Uvs)*Ih/Ivs，

同理，在Ivs恒流放电时，Uvhn Uvhs之差Uvhn-Uvhs＝

＝(Uvn-UOad)*Ih/Ivs+UOad–((Uvs-UOad)*Ih/Ivs+UOad)

＝(Uvn-Uvs)*Ih/Ivs，充电和放电Uvhn-Uvhs的计算公式相同，

将恒流Ih充电或放电端电压曲线在某SOC附近进行线性等效，则端电压变化值与SOC变化值成比例关系，以Ih恒流充电下，当SOC为Sac时，该比值为Rhc，以Ih恒流放电下，当SOC为Sad时，该比值为Rhd，因此，由充电或放电下电压变化值比SOC变化值等于Rhc或Rhd得到，单体电池SOC与电池组SOC的差值为：

单体电池在AC区域恒流充电时与电池组平均SOC偏差值Secn

＝(Uvhn-Uvhs)/Rhc

＝(Uvn-Uvs)*Ih/(Ivs*Rhc)，

单体电池在AD区域恒流放电时与电池组平均SOC偏差值Sedn

＝(Uvhn-Uvhs)/Rhd

＝(Uvn-Uvs)*Ih/(Ivs*Rhd)；

步骤(4)，在同时获取偏差值Secn和偏差值Sedn后，根据串联电池组中电流相等得知所有单体电池的电量的变化值也相等，得到单体最大可用容量的估算值Cn与SOC变化值的乘积与电池组最大可用容量C0与平均SOC值的变化值乘积相等，则Cn

＝(Sac-Sad)*C0/((Secn+Sac)-(Sedn+Sad))，

然后计算单体偏离电池组中间值Sm所需均衡电量Qn

＝(Secn+Sac-Sm)*Cn-(Sac-Sm)*C0；

步骤(5)，根据均衡电量Qn对该单体电池进行能量均衡。

2.根据权利要求1所述的混合动力用锂电池组均衡控制方法，其特征在于，为保证均衡电量Qn不大于理论的真实均衡电量，执行均衡电量Qon＝Qn*h，系数h小于1大于0，当Qon大于充电均衡阈值Qc并且小于放电均衡阈值-Qd，则执行均衡，均衡电量为Qon，均衡可选择在充电和放电的任意阶段执行。

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